"Биология (базовый уровень)", Каменский А. А., Касперская Е. К., Сивоглазов В. И.
Путь от неживых веществ к первым клеткам состоял из длительной последовательности химических и биологических изменений. Органические молекулы объединялись в более сложные системы, а обособленные капли могли создавать условия для реакций. Но коацерват ещё не был живым: для появления клетки требовались наследственная информация, обмен веществ и способность воспроизводиться. Первые клетки были простыми прокариотами без оформленного ядра, а разнообразие их обмена веществ со временем изменило среду Земли и повлияло на дальнейшую эволюцию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Коацерват — капельное скопление органических молекул в воде, отделённое от окружающей среды границей. Такая граница могла удерживать часть веществ вместе и создавать условия для химических реакций внутри капли. Однако коацерват не был клеткой: у него не было полного набора признаков живого. Это понятие помогает представить возможный промежуточный этап между отдельными молекулами и организованной системой.
Протобионтом называют предклеточную систему, которая имела некоторые свойства, важные для жизни, но ещё не являлась полноценной клеткой. Например, в ней могли концентрироваться вещества и протекать реакции, однако устойчивое наследование и воспроизведение могли отсутствовать или быть несовершенными. Поэтому протобионт — не просто отдельная молекула, но и не организм в современном смысле. Понятие нужно, чтобы описывать постепенный переход к клеточной организации.
Гипотеза РНК-мира предполагает, что на раннем этапе эволюции молекулы РНК могли одновременно хранить наследственную информацию и участвовать в химических реакциях. Сейчас эти функции в клетках в основном распределены между нуклеиновыми кислотами и белками. Идея РНК-мира предлагает возможное объяснение того, как информационные процессы могли возникнуть до появления сложных клеток. При этом гипотеза не считается подробным доказанным описанием всех событий ранней Земли.
Прокариотическая клетка — клетка, у которой нет оформленного ядра, отделённого от цитоплазмы ядерной оболочкой. Её наследственный материал находится внутри клетки, но не заключён в такое ядро, как у эукариот. К прокариотам относят бактерий и архей. Это определение важно для понимания того, почему первые клетки считают простыми и чем они отличаются от клеток растений, животных и грибов.
На ранней Земле из неорганических веществ могли образовываться простые органические молекулы. Для химических реакций требовалась энергия, источниками которой могли быть, например, солнечное излучение, электрические разряды и тепло. Вода и условия среды позволяли веществам перемещаться и взаимодействовать. Постепенное накопление продуктов таких реакций создавало основу для образования более сложных соединений, но само по себе ещё не означало появления жизни.
Следующим возможным этапом стало возникновение крупных молекул и объединение небольших соединений в более сложные структуры. Это было важно потому, что отдельные простые молекулы не могли достаточно надёжно сохранять и передавать информацию или поддерживать цепочки реакций. Крупные молекулы могли выполнять более разнообразные функции, а некоторые из них — влиять на скорость реакций. Так возникала возможность для систем, которые дольше сохраняли свои особенности и могли стать основой предклеточной организации.
Когда разные молекулы собирались в обособленные капли, возникала внутренняя среда, отличавшаяся по составу от окружающей воды. Благодаря этому вещества могли концентрироваться рядом друг с другом, а некоторые реакции — происходить чаще. Коацерваты показывают, как разделение внутреннего пространства и внешней среды могло появиться до настоящих клеток. Но граница капли ещё не обеспечивала наследственность и управляемое воспроизведение, поэтому считать её клеточной мембраной в полном смысле нельзя.
Предполагаемый переход от предклеточных систем к первым клеткам требовал соединения нескольких свойств. Система должна была поддерживать обмен веществ, то есть получать и преобразовывать вещества и энергию, а также хранить наследственную информацию и передавать её при воспроизведении. Если при копировании возникали различия, некоторые варианты могли сохраняться лучше других. Так наследственность, изменчивость и размножение создавали возможность для биологической эволюции, хотя точная последовательность ранних событий неизвестна.
Первые клетки были прокариотическими и устроены проще эукариот: у них не было оформленного ядра и сложных мембранных органоидов. В ходе эволюции возникали разные способы получения веществ и энергии, в том числе фотосинтез. Организмы, способные к фотосинтезу, использовали свет и изменяли химический состав окружающей среды. Накопление кислорода со временем создало условия для распространения организмов, использующих кислородный обмен, и повлияло на дальнейшее разнообразие жизни.
| Этап | Что происходит | Результат | Чего ещё нет |
|---|---|---|---|
| Образование органических молекул | Простые вещества взаимодействуют при наличии источников энергии. | Появляются органические соединения. | Самовоспроизводящихся клеток. |
| Возникновение крупных молекул | Молекулы соединяются в более сложные структуры. | Возникают основы для хранения информации и протекания реакций. | Полной клеточной организации. |
| Формирование обособленных предклеточных систем | Молекулы объединяются в капли с внутренней средой. | Вещества концентрируются и взаимодействуют внутри системы. | Надёжной наследственности и полноценного размножения. |
| Появление первых клеток | Объединяются наследственная информация, обмен веществ и воспроизведение. | Возникают первые живые клеточные системы. | Оформленного ядра. |
| Эволюция клеточного обмена и разнообразия | Распространяются разные способы получения энергии и фотосинтез. | Меняется среда и расширяются возможности эволюции организмов. | Единого способа обмена веществ у всех организмов. |
Таблица показывает, как менялись и усложнялись системы: от отдельных соединений к клеткам и разнообразию организмов. Столбец «Чего ещё нет» помогает не приписывать ранним этапам свойства, которые появились позднее. Используйте её, чтобы восстановить последовательность событий и сравнить уровни организации.
Задача 1. Расположите в логической последовательности образование органических молекул, появление предклеточных систем и возникновение первых клеток. При решении важно не смешивать химические соединения с системами, которые уже обладают клеточной организацией. Проследите, какое усложнение необходимо для перехода к следующему этапу. Затем сформулируйте порядок событий.
Сначала появляются органические молекулы: без них не из чего строить более сложные системы. Они ещё не являются ни коацерватами, ни клетками.
Затем часть молекул объединяется в обособленные предклеточные системы, например капли. Они создают внутреннюю среду, но пока не обладают полным набором признаков жизни.
После приобретения наследственности, обмена веществ и способности воспроизводиться можно говорить о возникновении первых клеток. Так отдельные компоненты превращаются в самоподдерживающуюся живую систему.
Ответ: образование органических молекул → появление предклеточных систем → возникновение первых клеток. Стрелки обозначают последовательность усложнения, а не мгновенное превращение одного объекта в другой. Между этапами могли происходить многочисленные промежуточные изменения.
Задача 2. Сравните коацерват и клетку по наличию границы, обмена веществ, наследственной информации и способности к размножению. Сначала проверьте каждый признак по отдельности, не делая вывод только по внешнему сходству. Граница есть у обоих объектов, но одинаковое наличие границы не означает одинакового устройства. Затем определите, какие свойства отличают клетку как живую систему.
У коацервата есть граница с окружающей водой; у клетки есть граница, отделяющая её от среды. В обоих случаях она помогает выделить внутреннее пространство.
В коацервате могут происходить отдельные химические реакции, но это не равнозначно организованному клеточному обмену веществ. Клетка поддерживает взаимосвязанные процессы, необходимые для её существования.
У коацервата нет полноценной системы наследования и воспроизведения, тогда как клетка передаёт наследственную информацию при размножении. Именно совокупность этих признаков позволяет отличить живую клетку от предклеточной капли.
Ответ: коацерват отделён границей и может поддерживать некоторые реакции, но у него нет полного набора наследственности и воспроизведения; клетка сочетает границу, обмен веществ, передачу информации и размножение. Не следует объявлять коацерват живым только потому, что он похож на клетку снаружи. Проверка по нескольким признакам даёт более точный вывод.
Задача 3. Объясните, почему появление фотосинтеза могло изменить условия жизни на Земле и повлиять на дальнейшую эволюцию организмов. Начните с того, что новый способ обмена веществ изменил отношения организмов со средой. Затем свяжите продукты фотосинтеза с изменением химического состава среды и возможностями других организмов. Не утверждайте, что перемена произошла мгновенно.
При фотосинтезе организмы используют энергию света для образования органических веществ. Поэтому появляется новый способ получения ресурсов и энергии, отличный от способов, существовавших раньше.
Фотосинтезирующие организмы выделяли кислород, и его содержание в среде могло постепенно увеличиваться. Изменение состава среды затрагивало условия жизни других организмов.
Кислородная среда позволила распространяться организмам, способным использовать кислородный обмен. Это расширило направления эволюции и повлияло на разнообразие живых систем.
Ответ: фотосинтез изменил источники органических веществ и постепенно повлиял на состав среды, в частности на содержание кислорода. Возникли условия для организмов с кислородным обменом, что стало одним из факторов дальнейшей эволюции. Важна именно связь нового обмена веществ с изменениями всей среды, а не одно изолированное событие.
Ошибка — считать коацерваты живыми клетками. Такое мнение возникает из-за того, что коацерват отделён границей и напоминает клетку по форме. Однако внешнего сходства недостаточно: проверьте, есть ли наследственная информация, полноценный обмен веществ и воспроизведение. Без совокупности этих свойств перед нами предклеточная система, а не живая клетка.
Ошибка — представлять происхождение жизни как мгновенное событие. Её допускают, когда несколько этапов описывают одной фразой и теряют промежуточные изменения. Проверьте себя: можете ли вы разделить образование молекул, формирование предклеточных систем и появление клеток? Если порядок включает постепенное усложнение, вы не сводите химическую и биологическую эволюцию к одному моменту.
Ошибка — считать гипотезу РНК-мира доказанным полным описанием происхождения жизни. Эту идею можно принять за установленный факт, потому что она объясняет, как одна молекула могла совмещать разные функции. Но гипотеза предлагает возможный сценарий, а не подтверждённую во всех деталях картину событий ранней Земли. Проверяйте формулировку: «предполагает» здесь точнее, чем «доказывает».
Ошибка — представлять первые клетки похожими на современные эукариотические. Такое представление переносит знакомое устройство клетки на очень ранние этапы эволюции. Проверьте себя по ключевому признаку: у первых клеток не было оформленного ядра, то есть они были прокариотическими. Сложную организацию современных эукариот нельзя приписывать самым ранним клеткам.
Для понимания темы нужны знания о составе клетки, функциях белков и нуклеиновых кислот и основных признаках живого. Они помогают понять, почему молекулярных реакций и границы капли недостаточно для появления клетки. Тема связана с химической эволюцией, клеточной теорией и эволюцией прокариот. Эти представления пригодятся при изучении происхождения эукариотических клеток и разнообразия организмов.
Чем коацерват отличается от живой клетки?
Коацерват — это обособленная капля молекул, у которой есть граница с окружающей водой, но нет всей организации живой системы. Он не обладает полноценной наследственностью и согласованным воспроизведением, характерными для клетки.
Почему РНК считают возможным участником ранних этапов происхождения жизни?
Некоторые молекулы РНК способны не только хранить последовательность, но и участвовать в химических реакциях. Поэтому существует гипотеза, что на раннем этапе РНК могла одновременно выполнять функции, которые позднее распределились между ДНК и белками.
Какие признаки должны были появиться, чтобы предклеточная система стала клеткой?
Нужны были наследственная информация, обмен веществ и возможность воспроизводить систему с передачей этой информации. Вместе эти свойства позволили бы клеткам сохранять организацию и изменяться в поколениях.
Почему первые клетки относят к прокариотам?
Прокариотические клетки не имеют оформленного ядра: их наследственный материал не отделён от цитоплазмы ядерной оболочкой. Ранние клетки были проще современных эукариотических и не обладали сложной внутренней организацией.
Как появление фотосинтеза могло повлиять на дальнейшую эволюцию?
Фотосинтез позволил некоторым организмам использовать энергию света и создавать органические вещества. В результате изменялся состав среды, в том числе возрастало содержание кислорода, что открыло возможности для организмов, связанных с кислородным обменом.
§ 16. От молекул — к клеткам. Первые клетки и их эволюция
